CN209343167U - 一种基于内外故障自诊断结构的铁路通用控制器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于内外故障自诊断结构的铁路通用控制器，包括中空的外部壳体(1)和电子控制板；其中，所述外部壳体(1)的内部安装有电子控制板；所述外部壳体(1)的正面具有一个供电端子(2)、一个三相检测端子(3)、一个PTC温度输入端子(4)、一个通讯端子(5)、一个四路的数字和模拟量输入端子(6)、一个四路的数字输出端子(7)、一个电源指示灯(8)和一个状态指示灯(9)。本实用新型通过控制器内置的超级电容，保证在供电被切断后，控制器有足够的时间采取紧急保护动作，提高了可靠性；此外，能够检测控制器自身关键部件的故障和可检测控制器外部的关键部件的状态，提高了安全性和可靠性。

Description

一种基于内外故障自诊断结构的铁路通用控制器

技术领域

本实用新型涉及铁路控制器技术领域，特别是涉及一种基于内外故障自诊断结构的铁路通用控制器。

背景技术

目前，铁路货物线装卸作业防护信号的使用，关系着货物线调车作业安全和货装作业人员劳动安全，货物线上作业前不设置防护信号，会造成人身伤亡事故；货物线上设置防护信号，但车站不知情，会造成调车脱轨事故。

铁路电动防护信号系统是铁路设备智能化的一个集中体现。该系统由光电开关、控制器、脱轨器驱动装置和脱轨器等设备组成。其中，脱轨器是一种用于铁路防护区段的双向隔离设备，可靠地迫使任何方向闯入防护区段的机车车辆脱线，保证运输安全及作业人员人身安全的双向隔离设备。控制器一般基于可编程控制器PLC实现，PLC通过检测光电开关的状态，来判断是否有货车驶入驶出，从而判断是否要驱动脱轨器驱动装置进行上脱或下脱。该系统的优点为全自动化、可以节省人力、同时可以消除由于人为因素造成的安全问题。

然而，由于现场环境恶劣(比如高温、低温、振动、潮湿等)的原因，会对控制器或其他设备造成不良影响，导致系统功能失效，进而引发严重的安全问题。

通过分析现场的失效问题，发现原因主要包括：一是控制器在外部供电被切断后，无法继续正常工作，没有足够的时间来采取紧急保护动作；二是恶劣的现场环境对控制器产生了不良的影响，导致其有时无法正常工作，这是由于控制器基于通过可编程控制器PLC实现，无法检测自身内部由于关键器件老化而引起的失效；三是控制器以外的设备，由于各种原因造成的损坏(如继电器无法吸合)，从而导致系统无法正常工作，这是因为目前的控制器若要检测外围关键部位，则需要增加额外的输入输出模块，大大增加了成本。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的目的是针对现有技术存在的技术缺陷，提供一种基于内外故障自诊断结构的铁路通用控制器。

为此，本实用新型提供了一种基于内外故障自诊断结构的铁路通用控制器，包括中空的外部壳体和电子控制板；

其中，所述外部壳体的内部安装有电子控制板；

所述外部壳体的正面具有一个供电端子、一个三相检测端子、一个PTC温度输入端子、一个通讯端子、一个四路的数字和模拟量输入端子、一个四路的数字输出端子、一个电源指示灯和一个状态指示灯。

其中，所述外部壳体的背面具有后盖，所述后盖的左右两端与所述外部壳体的左右两端对应螺纹连接。

其中，所述电子控制板包括：处理器模块、三相检测电路、光电开关信号采集电路、双路PTC温度采集电路、双路继电器输出模块、供电及低电压保护模块、通讯模块和电流电压检测电路；

其中，处理器模块，分别与三相检测电路、光电开关信号采集电路、双路PTC温度采集电路、继电器冗余控制电路、供电及低电压保护模块、通讯模块和电流电压检测电路相连接。

其中，所述电子控制板还内置有一个超级电容，所述超级电容与供电及低电压保护模块相连接；

供电及低电压保护模块与处理器模块相连接；

所述超级电容，用于为处理器模块、三相检测电路、光电开关信号采集电路、双路PTC温度采集电路、双路继电器输出模块、通讯模块和电流电压检测电路提供工作用电。

由以上本实用新型提供的技术方案可见，与现有技术相比较，本实用新型提供了一种基于内外故障自诊断结构的铁路通用控制器，其通过控制器内置的超级电容，保证在供电被切断后，控制器有足够的时间采取紧急保护动作，提高了可靠性。

此外，对于本实用新型提供的基于内外故障自诊断结构的铁路通用控制器，其能够检测控制器自身关键部件的故障并采取保护动作，提高安全性，同时，能够可检测控制器外部的关键部件的状态，提高了可靠性，具有重大的生产实践意义。

附图说明

图1为本实用新型提供的一种基于内外故障自诊断结构的铁路通用控制器的结构方框图；

图2为本实用新型提供的一种基于内外故障自诊断结构的铁路通用控制器的外壳正面示意图；

图3为本实用新型提供的一种基于内外故障自诊断结构的铁路通用控制器的外壳侧面示意图；

图4为本实用新型提供的一种基于内外故障自诊断结构的铁路通用控制器的外壳背面示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面结合附图和实施方式对本实用新型作进一步的详细说明。

参见图1至图4，本实用新型提供了一种基于内外故障自诊断结构的铁路通用控制器，包括中空的外部壳体1和电子控制板；

其中，所述外部壳体1的内部安装有电子控制板；

所述外部壳体1的正面具有一个供电端子2、一个三相检测端子3、一个PTC温度输入端子4、一个通讯端子5(具体为MODBUS通讯端子)、一个四路的数字和模拟量输入端子6、一个四路的数字输出端子7、一个电源指示灯8和一个状态指示灯9。

在本实用新型中，具体实现上，所述外部壳体1的背面具有后盖10，所述后盖10的左右两端与所述外部壳体1的左右两端对应螺纹连接。因此，电子控制板可以通过打开后盖10的方式，放入外部壳体1中。

需要说明的是，在本实用新型中，所述电子控制板用于对控制器自身关键部件的故障以及控制器外部的关键部件的故障进行检测和诊断。

在本实用新型中，具体实现上，所述电子控制板包括：处理器模块、三相检测电路、光电开关信号采集电路、双路PTC温度采集电路、双路继电器输出模块、供电及低电压保护模块、通讯模块和电流电压检测电路；

其中，处理器模块，分别与三相检测电路、光电开关信号采集电路、双路PTC温度采集电路、继电器冗余控制电路、供电及低电压保护模块、通讯模块和电流电压检测电路相连接；

所述电子控制板还内置有一个超级电容，所述超级电容与供电及低电压保护模块相连接；

供电及低电压保护模块与处理器模块相连接；

所述超级电容，用于为处理器模块、三相检测电路、光电开关(即光电传感器)信号采集电路、双路PTC温度采集电路、双路继电器输出模块、通讯模块和电流电压检测电路提供工作用电(通过处理器模块进行间接的电传导)。

需要说明的是，对于本实用新型，控制器内部集成一个超级电容，当控制器供电被断开时，可由超级电容进行供电，让控制器完成紧急保护动作。

对于本实用新型，三相检测电路用于检测铁路通用控制器设备所接入的三相电的状态，包括正常状态、缺相状态和逆相状态，其对于处理器模块来说属于输入模块。

需要说明的是，三相检测电路基于两路光耦实现，通过两路光耦将三路相位差为120°的正弦波信号转换为两路相位差为120°的方波信号。两路信号输入到单片机的IO端口，若三相电出现缺相逆相问题，则输入到单片机的信号会出现一路高电平或相位差为180°的情况，作为处理器模块的单片机STM32可以通过两路信号，来判断三相电的状态。

对于本实用新型，光电开关信号采集电路，其对于处理器模块来说属于输入模块，用于对两路光电开关(即光电传感器)信号进行采集，其中，第一路光电开关用于检测火车驶入，第二路光电开关用于检测火车驶出，每一路光电开关在无遮挡时均输出高低电平，有遮挡时均输出低电平。

需要说明的是，第一路光电传感器(即光电开关)安装于火车停靠点的前端，第二路光电传感器(即光电开关)安装于火车停靠点的后端。当有火车驶入驶出时，由于遮挡了接收光线，相应的光电传感器的输出将进行高低电平的变换，输出的信号发送至光电开关信号采集电路。

需要说明的是，光电开关信号采集电路采取冗余设计，每一路传感器的输入同时接到两个同样的信号采样电路，每个信号采样电路输出一个高低电平到作为处理器模块的单片机STM32(即单片机MCU)，若每一路传感器的两个采样电路输出信号不一致，则MCU判定该电路存在故障。

对于本实用新型，双路PTC温度采集电路，其对于处理器模块来说属于输入模块，实际为PTC温度传感器采集的冗余设计，同一个PTC温度传感器通过PTC端子连接到两个相同的温度采样电路。两路PTC温度采集电电路输出的电压信号，分别接到作为处理器模块的单片机STM32(即单片机MCU)具有的不同的AD引脚，由单片机通过判断两路电压信号的差值，来判断采样电路是否有故障；相同的温度值，通过两路相同的PTC温度采集电路，其输出电压信号应该相同，若两路输出信号的差值超过预定的极限值，则必定其中一路PTC温度采集电路存在故障。

对于本实用新型，继电器冗余控制电路，对于处理器模块来说属于输出模块，用于分别控制脱轨器的上脱和下脱；

其中，在脱轨器具有的电机的电路板上安装有继电器，继电器的吸合能够控制脱轨器的上脱和下脱。

需要说明的是，继电器冗余控制电路采用冗余设计，每一个继电器都由两路相同的控制电路驱动，两路相同的继电器冗余控制电路，分别由单片机STM32(即单片机MCU)的不同输出(IO)引脚进行控制，只有当两个IO引脚输出均为低时，继电器才会吸合。这样就能降低因控制电路故障，导致继电器误吸合的问题。

对于本实用新型，供电及低电压保护电路，对于处理器模块来说属于输入模块，用于当检测到外部供电切断或外部电压过低时，自动切换到由电阻控制板内部的超级电容进行供电；

需要说明的是，供电及低电压保护电路通过检测输入电压，并将该电压信号进行转换，发送至单片机STM32(即单片机MCU)的AD引脚进行采样，当单片机MCU检测该电压信号(即AD信号)低于预定的极限值时，即判定为外部供电切断或电压过低。此时由单片机MCU的一个输出IO引脚控制该电路，实现将供电由外部切换到内部的超级电容。

对于本实用新型，通讯模块，用于实现基于RS-485的Modbus通讯。本控制器是Modbus的从设备，可由Modbus主设备读取或写入相应的数据；

对于本实用新型，电流电压检测电路，对于处理器模块来说属于输入模块，用于检测例如继电器电流、供电电压等在内关键量的数值。关键量通过采样电路转换为电压值，发送至单片机MCU的AD引脚，由单片机MCU进行数值的换算。

对于本实用新型，处理器模块，具体基于STM32单片机，可实现处理器关键部件自检测，包括单片机MCU的累加器、索引寄存器、RAM、FLASH、AD相关寄存器、控制继电器输出的寄存器等；处理器模块对所有内部关键部件的检测，均采用定期写入特定值，然后回读进行校验的方式进行，若回读值与写入值一致，则判定该关键部件良好，反之则判定存在故障。需要说明的是，本实用新型基于STM32单片机实现，控制器可以检测处理器以外的一些关键量(比如继电器的电流、冗余电路的采样差值、电源电路的采样等)以及处理器内部与关键功能有关的寄存器(如AD寄存器，I/O寄存器，累加器，时钟等等)，对关键电路和关键寄存器的状态进行判断，在电路和寄存器失效时进行紧急保护动作，从而避免了由于关键电路和寄存器失效而造成的灾难性后果。

参见图1至图3所示，在本实用新型中，电源指示灯8，在通电时为常绿，不通电为灭；当控制器检测内外均无故障时，状态指示灯9为常绿，有故障时会按照不同的黄色、红色闪烁次数组合表示不同的故障；

在本实用新型中，一个三相检测端子3，用于识别铁路三相用电设备是否缺相逆相，安装于控制器内部的电子控制板上，通过外部壳体1的前面板预留的孔位露于外面。三相检测端子可连接三相电的A、B和C相。当三相电为正常时，三相检测电路输出到MCU的信号为两路方波且相位差为120°；一旦发生某一相、某两相缺相或逆相时，三相检测电路输出信号分别为一路方波变为高电平、两路方波均变为高电平、相位差变为180°。通过这种方法，控制器会识别出该故障并通过状态灯指示该故障；

在本实用新型中，四路的数字和模拟量输入端子6，安装于控制器内部的电子控制板上，通过外壳前面板预留的孔位露于外面。可连接用于检测火车驶入、驶出的光电传感器(即光电开关)，同时可用于扩展其他功能。

在本实用新型中，四路的数字输出端子7，安装于控制器内部的电子控制板上，通过外部壳体1的前面板预留的孔位露于外面。其中，有两路数字输出端子，可用来控制两路继电器，从而驱动脱轨器驱动装置，控制脱轨器的上脱下脱；余下两路数字输出端子，可用于扩展其他功能；用来控制两路继电器的数字输出，分别由单片机MCU的两个输出IO引脚控制，当该输出IO引脚输出为低电平时，继电器吸合，反之则断开，继电器的吸合，能够控制脱轨器上脱和下脱。

在本实用新型中，PTC温度输入端子4，安装于控制器内部的电子控制板上，通过外部壳体1的前面板预留的孔位露于外面。PTC温度输入端子4，用于连接内置于脱轨器驱动装置内部电机的PTC温度传感器，用于检测电机是否过热；PTC温度输入端子，具体用于检测PTC温度传感器的电阻值，电机温度越高，电阻值越大。检测到的电阻值，传送至双路PTC温度采集电路，然后再转换为电压信号传送至单片机MCU。

在本实用新型中，通讯端子5，具体为Modbus通讯端子，安装于控制器内部的电子控制板上，通过外部壳体1的前面板预留的孔位露于外面。可作为Modbus从设备与外部的其他Modbus设备进行通讯。

对于本实用新型提供的基于内外故障自诊断结构的铁路通用控制器，其在具体实施上，首先，将三相电的A、B、C相连接到控制器的三相检测端子；将电机的PTC温度传感器连接到PTC温度输入端子；两个光电开关连接到数字和模拟量输入端子；两个继电器连接到数字输出端子，以控制其状态(吸合或断开)；MODBUS通讯端子接主设备；供电端子接220V交流电；在具体工作时，如果电源指示灯绿色常亮；若无故障，则状态灯应绿色常亮；若检测出故障，则状态灯按照黄-红模式闪烁，根据不同颜色闪烁次数的组合表示不同的故障；通过控制器的通讯接口，可以将存储在控制器内部的历史故障信息读取出来，进行故障分析。

基于以上技术方案可知，对于本实用新型，其是一种基于内外故障自诊断结构的铁路通用控制器的设计方案，具体是一种适用于能进行自身内部关键部件故障自诊断、对外部多种变量进行采集并诊断、对诊断信息进行存储并由自身通讯接口进行读取的、对外部多种设备进行控制的、工作环境恶劣的铁路控制器的设计方案。

与现有技术相比较，本实用新型提供的基于内外故障自诊断结构的铁路通用控制器，具有如下有益效果：

1、可检测控制器自身关键部件的故障并采取保护动作，提高了安全性；

2、可检测控制器外部的关键部件的状态，提高了可靠性；

3、控制器内置的超级电容，保证在供电被切断后控制器有足够的时间采取紧急保护动作，提高了可靠性；

4、控制器关键电路采用冗余设计，提高了产品的可靠性；

5、预留的输入输出端口，提高了产品的扩展性；

6、通过LED状态指示灯，可以指示某一类故障，通过通讯接口可以读取具体故障的编码，有利于用户进行故障诊断。

综上所述，与现有技术相比较，本实用新型提供的一种基于内外故障自诊断结构的铁路通用控制器，其通过控制器内置的超级电容，保证在供电被切断后，控制器有足够的时间采取紧急保护动作，提高了可靠性。

此外，对于本实用新型提供的基于内外故障自诊断结构的铁路通用控制器，其能够检测控制器自身关键部件的故障并采取保护动作，提高安全性，同时，能够可检测控制器外部的关键部件的状态，提高了可靠性，具有重大的生产实践意义。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于内外故障自诊断结构的铁路通用控制器，其特征在于，包括中空的外部壳体(1)和电子控制板；

其中，所述外部壳体(1)的内部安装有电子控制板；

所述外部壳体(1)的正面具有一个供电端子(2)、一个三相检测端子(3)、一个PTC温度输入端子(4)、一个通讯端子(5)、一个四路的数字和模拟量输入端子(6)、一个四路的数字输出端子(7)、一个电源指示灯(8)和一个状态指示灯(9)。

2.如权利要求1所述的铁路通用控制器，其特征在于，所述外部壳体(1)的背面具有后盖(10)，所述后盖(10)的左右两端与所述外部壳体(1)的左右两端对应螺纹连接。

3.如权利要求1所述的铁路通用控制器，其特征在于，所述电子控制板包括：处理器模块、三相检测电路、光电开关信号采集电路、双路PTC温度采集电路、双路继电器输出模块、供电及低电压保护模块、通讯模块和电流电压检测电路；

其中，处理器模块，分别与三相检测电路、光电开关信号采集电路、双路PTC温度采集电路、继电器冗余控制电路、供电及低电压保护模块、通讯模块和电流电压检测电路相连接。

4.如权利要求3所述的铁路通用控制器，其特征在于，所述电子控制板还内置有一个超级电容，所述超级电容与供电及低电压保护模块相连接；

供电及低电压保护模块与处理器模块相连接；

所述超级电容，用于为处理器模块、三相检测电路、光电开关信号采集电路、双路PTC温度采集电路、双路继电器输出模块、通讯模块和电流电压检测电路提供工作用电。